專利名稱：一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電池管理系統(tǒng)，尤其是涉及一種純電動車用鋰電池管理系統(tǒng)及其 實現(xiàn)方法。
背景技術：
隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，城市交通面臨的壓力越來越大，交通管理的復雜程度 也越來越高，對環(huán)境帶來的污染和破壞也日益嚴重。為減少對環(huán)境的破壞，零排放、無污染 的純電動汽車正逐步成為市場主流。純電動汽車采用可充電、可循環(huán)使用的電池組，一般使 用能量密度高、循環(huán)壽命長、自耗電低的鋰電池。由于鋰電池個體之間的差異，在多次重復 充/放電之后極易出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，導致電池壽命下降，容易引發(fā)安全事故。因此，對純電 動汽車的各項性能、參數(shù)的管理系統(tǒng)也提出了更高要求。盡管人們在不斷研究新的技術手 段改進和完善現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)，但現(xiàn)有的純電動車用電池管理系統(tǒng)仍存在可靠性不夠 高、功能過于單一、管理系統(tǒng)架構未經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃和優(yōu)化、達不到大容量串聯(lián)鋰電池組的要 求等突出缺點，不能保障充電的安全性，無法滿足車輛的運行需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的缺點與不足，提供一種可靠性高、充電安全、 功能全面、分配合理、通訊穩(wěn)定的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)。該電池管理系統(tǒng)能實時的 監(jiān)測電池電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)，獲得電池組中每節(jié)電池的實際狀態(tài)；并根據(jù)不同工作模 式的要求對電池組進行合理管理，同時提供保護措施，使電池組在不同模式下性能最佳。依據(jù)本發(fā)明提出的一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，包括中控模塊、測控模塊、 電池組、電機控制器、直流電動機、車載充電機、電流和電量檢測模塊、車載液晶顯示模塊、 開關組、存儲模塊、時鐘模塊和溫度管理模塊；所述中控模塊通過一條通訊總線CANl與測 控模塊、車載充電機、電機控制器、車載液晶顯示模塊通訊；所述測控模塊由若干個子測控 模塊組成；所述電池組由若干個子電池組串聯(lián)而成，每個子測控模塊與子電池組一一對應 連接；電池組與開關組、電流和電量檢測模塊、車載充電機串聯(lián)形成充電回路，電機控制器 與電池組并聯(lián)形成放電回路；所述中控模塊將實時采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至車載液晶顯示模塊中 實時顯示；所述電機控制器驅動連接直流電動機；所述時鐘模塊通過I2C總線與中控模塊 連接；所述存儲模塊通過SPI總線與中控模塊連接；所述溫度控制模塊與中控模塊連接，并 控制連接若干與子電池組對應的風扇。進一步，所述開關組包括總開關、位于充電回路中的充電開關、以及位于放電回路 中的放電開關和預放電開關，所述總開關串聯(lián)在電池組正極一端，所述放電開關與預放電 開關并聯(lián)接入放電回路中。進一步，所述中控模塊包括微處理器和電源監(jiān)測器，所述微處理器通過若干隔離 電路分別與開關驅動電路、溫度管理模塊控制電路、總線驅動電路、絕緣電阻檢測電路連 接；所述總線驅動電路包括通訊總線CANl驅動器、RS-485總線驅動器、SPI總線驅動器、I2C
4總線驅動器和單總線驅動器五種通信接口模塊。作為優(yōu)選，所述電池管理系統(tǒng)還包括另一條通訊總線CAN2將中控模塊與擴展設 備建立連接；所述擴展設備包括快速充電系統(tǒng)和汽車總控制器。進一步，所述中控模塊的總線驅動電路還包括一通訊總線CAN2驅動器接口模塊。進一步，所述中控模塊實時采集的數(shù)據(jù)包括電池電壓、電池電量、SOC值、實時電 流、各區(qū)域溫度及系統(tǒng)工作狀態(tài)；所述系統(tǒng)工作狀態(tài)包括系統(tǒng)當前所處模式、車載充電機 工作狀態(tài)、及直流電動機運行狀態(tài)。進一步，所述存儲模塊中存儲一數(shù)據(jù)表，所述數(shù)據(jù)表存放特定電壓區(qū)間與其對應 的SOC值。進一步，所述電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)充電、放電、故障三種工作模式。另外，本發(fā)明還提出了一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括以下 步驟1)系統(tǒng)初始化，讀取當前時間，將當前時間與上次關機時間比較，判斷時間差是否 超過設定時間，若時間差超出設定時間，則進行SOC校正；2)測量電池組中各電池的電壓，并計算出平均電壓值，判斷該平均電壓值是否 處于設置的特定電壓區(qū)間內；若平均電壓值在特定電壓區(qū)間范圍內，則查表獲得校正后的 SOC值，并計算出電池電量值；3)檢測電池組各區(qū)域溫度，并讀取出當前電流，將實時電池電壓值、電池電量值、 SOC值、實時電流、各區(qū)域溫度及系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)送至車載液晶顯示模塊實時顯示。進一步，所述步驟2)之后還包括，步驟21)判斷電池電量值是否低于設定的最低電量值；若是，則系統(tǒng)跳出放電模式，進 入充電模式；22)判斷電池電量值是否高于設定的最高電量值；若是，則系統(tǒng)跳出充電模式，進 入放電模式。本發(fā)明所述的電池管理系統(tǒng)是以電池組為對象，以中控模塊為核心，配合各類傳 感器、開關電路、可操控電動機、可配置充電機，加之可視化的用戶管理，通過多種通訊總線 (如CAN、I2C, SPIU-wire-bus)等建立模塊連接，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的電池管理系統(tǒng)能為電池組提供過流、過溫、短路、漏電 檢測和過壓差保護，提高電池組的能量利用率，延長電池壽命，從而使該系統(tǒng)具有較高可靠 性、充電安全性以及穩(wěn)定性。此外，該系統(tǒng)還具有功能全面，便于后續(xù)擴展的優(yōu)點。為了能更清晰的理解本發(fā)明，以下將結合


闡述本發(fā)明的具體實施方式
。

圖1是本發(fā)明所述的電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。圖2是本發(fā)明所述的電池管理系統(tǒng)中控模塊的結構圖。圖3是本發(fā)明所述的電池管理系統(tǒng)子測控模塊的結構圖。圖4是本發(fā)明所述的電池管理系統(tǒng)的流程圖。
具體實施例方式實施例1參見圖1，一種純電動車動力電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括中控模塊1、測控模 塊2、電池組3、電機控制器4、直流電動機5、車載充電機6、電流和電量檢測模塊7、車載液 晶顯示模塊8、開關組9、快速充電系統(tǒng)10、汽車總控制器11、測試顯示模塊12、存儲模塊 13、時鐘模塊14、溫度管理模塊15。該系統(tǒng)采用集散式結構，僅需一條通訊總線CANl即可 實現(xiàn)中控模塊1與測控模塊2、電機控制器4、車載充電機6、車載液晶顯示模塊8等設備通 訊。其中，各模塊采用12V電源統(tǒng)一供電。中控模塊1是系統(tǒng)采集和控制數(shù)據(jù)信息的核心。一方面，中控模塊1采集整個系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括電池電壓、溫度、電池荷電量(SOC)、工作電流、充電機或電動機工作狀態(tài)等； 另一方面，數(shù)據(jù)信息經(jīng)中控模塊1的分析處理對整個系統(tǒng)做出調控，包括故障判斷、電池組 電量均衡、對充電機或電動機操作、液晶顯示內容以及當前系統(tǒng)狀態(tài)的存儲等。中控模塊1的內部結構，請參閱圖2所示，包括微處理器MCU100、電源監(jiān)測器 101、開關驅動電路102、溫度管理模塊控制電路103、總線驅動電路104、絕緣電阻檢測電路 105和隔離電路106。微處理器MCU100用于整個模塊的數(shù)據(jù)處理；電源監(jiān)測器101為整個 模塊提供穩(wěn)定供電；開關驅動電路102控制開關組9中各個開關；溫度管理模塊控制電路 103控制溫度管理模塊15 ；總線驅動電路104包括通訊總線CANl驅動器、通訊總線CAN2 驅動器、RS-485總線驅動器、SPI總線驅動器、I2C總線驅動器和單總線驅動器；相應的隔離 電路105用于避免模塊內各電路模塊之間的干擾。測控模塊2由多個相同的子測控模塊組成，每個子電池組對應配備一個子測控模 塊。該子測控模塊的內部結構，請參閱圖3所示，包括微處理器MCU200、電壓檢測電路201、 均衡電路202、絕緣電阻檢測電路203、相應隔離電路204、通訊總線CAm接口 205和溫度傳 感器206。其中，微處理器MCU200采用飛思卡爾16位單片機MC9S12XS128，電壓檢測電路 采用凌特公司LTC6802專用電壓測量芯片實時測量子電池組中每節(jié)電池的電壓。測控模塊 2中的測控單元以MCU200為運算單元，通過均衡電路202完成電池組的電量均衡。絕緣電 阻檢測電路203用于測量電池的絕緣電阻，判斷電池的絕緣等級。相應的隔離電路204用 于避免模塊內各電路模塊之間的干擾。通訊總線CAm接口 205用于連接通訊總線CAN1，與 中控模塊1通訊。此外，該測控模塊2還通過溫度傳感器206，在本實施例中采用DS18B20 測量子電池組中每節(jié)電池的實時溫度。測控模塊2實時測量每個子電池組中每節(jié)電池的電壓和溫度，完成電池電量的均 衡，并通過測量絕緣電阻(圖1未示出)判斷電池的絕緣等級。每節(jié)電池測得的電壓和溫 度信息由測控模塊2經(jīng)通訊總線CAN 1發(fā)至中控模塊1。為滿足實際應用中對電壓及功率的要求，電池組3由多個子電池組串聯(lián)而成，在 本實施例中，電池組3包括10個子電池組，每個子電池組由12節(jié)電池串聯(lián)而成。電池組3與電機控制器4并聯(lián)，該電機控制器4經(jīng)通訊總線CAN 1連接至中控模 塊1。該電機控制器4還連接一直流電動機5。中控模塊1通過電機控制器4控制直流電 動機5的轉速及方向，同時將直流電動機5的轉速信息發(fā)回中控模塊1。電池組3—端與車載充電機6串聯(lián)聯(lián)成電池充電回路，該車載充電機6通過通訊 總線CAm連接至中控模塊1，在中控模塊1的控制下，車載充電機6可根據(jù)需要實時調整充電電流和充電電壓。電池組3負極的一端還串聯(lián)一電流和電量檢測模塊7，該電流和電量檢測模塊7實 時測量經(jīng)過電池的電流和電量，并計算SOC狀態(tài)值。其中，該采用分流器(圖1未示出)將 電流值轉換為便于測量的電壓值，再通過電量計(圖1未示出)獲得當前電量及SOC狀態(tài) 信息。并經(jīng)由單總線(1WIRE BUS)將電量及SOC數(shù)據(jù)信息發(fā)至中控模塊1。中控模塊1將其采集到的所有當前系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息通過通訊總線CANl傳送 至車載液晶顯示模塊8。該車載液晶顯示模塊8采用觸摸屏技術，可顯示電壓、電流、溫度及 電池組狀態(tài)等當前系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，為用戶提供更加直觀、便捷、人性化的操作平臺。開關組9包括總開關91、充電開關92、放電開關93、預放電開關94及相應的開關 電路，各開關分別控制其相應的回路。電池組3正極一端串聯(lián)總開關91，無論電池組3處 于放電或充電狀態(tài)，均通過此開關；充電開關92位于充電回路；放電開關93與預放電開關 94并聯(lián)接入放電回路中。由于放電回路存在較大的電容特性(主要來自電機驅動器)，一 瞬間加上上百伏的高壓會在電路中產(chǎn)生非常大的電流，損傷電池。因此，在放電時先打開預 放電開關94，能起到限流作用，以小電流對電容充電、升高電壓，防止容性器件在電壓突變 時引發(fā)大電流損傷電路。經(jīng)過一段時間后再打開放電開關93，這樣在正常放電時可避免電 路的電容特性導致電流過大。存儲模塊13以鐵電存儲器為介質記錄系統(tǒng)的狀態(tài)，在本實施例中，采用的是64Kb 的非易失性鐵電存儲器FM25640，其結構容量為8192X8位，擦寫次數(shù)可達上百億次。該存 儲模塊13通過SPI總線與中控模塊1連接，用于動態(tài)儲存當前電流積分值、SOC值、當前時 間值等信息。為提高校驗精度，該存儲模塊13內還儲存可校驗的特定電壓區(qū)間及其對應的 SOC值的數(shù)據(jù)表(表1)。設定的三個電壓區(qū)間范圍分別為第一區(qū)間(3.3105-3. 3375V), 對應SOC值范圍(71-77% )；第二區(qū)間(3. 2010-3. 2925V)，對應SOC值范圍(9-39% )；第 三區(qū)間(2.9070V-3. 1380V)，對應SOC值范圍(0_5%)。當電壓值處于上述可校驗的特定電 壓區(qū)間之內時，可通過查表方式查找該電壓值所對應的SOC值。表1可校驗的特定電壓區(qū)間與其對應的SOC值關系表
權利要求
一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于包括中控模塊、測控模塊、電池組、電機控制器、直流電動機、車載充電機、電流和電量檢測模塊、車載液晶顯示模塊、開關組、存儲模塊、時鐘模塊和溫度管理模塊；所述中控模塊通過一條通訊總線CAN1與測控模塊、車載充電機、電機控制器、車載液晶顯示模塊通訊；所述測控模塊由若干個子測控模塊組成；所述電池組由若干個子電池組串聯(lián)而成，每個子測控模塊與子電池組一一對應連接；電池組與開關組、電流和電量檢測模塊、車載充電機串聯(lián)形成充電回路，電機控制器與電池組并聯(lián)形成放電回路；所述中控模塊將實時采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至車載液晶顯示模塊中實時顯示；所述電機控制器驅動連接直流電動機；所述時鐘模塊通過I2C總線與中控模塊連接；所述存儲模塊通過SPI總線與中控模塊連接；所述溫度管理模塊與中控模塊連接，并控制連接若干與子電池組對應的風扇。
2.如權利要求1所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述開關組包括 總開關、位于充電回路中的充電開關、以及位于放電回路中的放電開關和預放電開關，所述 總開關串聯(lián)在電池組正極一端，所述放電開關與預放電開關并聯(lián)接入放電回路中。
3.如權利要求1所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述中控模塊包 括微處理器和電源監(jiān)測器，所述微處理器通過若干隔離電路分別與開關驅動電路、溫度管 理模塊控制電路、總線驅動電路、絕緣電阻檢測電路連接；所述總線驅動電路包括通訊總線 CANl驅動器、RS-485總線驅動器、SPI總線驅動器、I2C總線驅動器和單總線驅動器五種通 信接口模塊。
4.如權利要求1 3中任一權利要求所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在 于所述電池管理系統(tǒng)還包括另一條通訊總線CAN2將中控模塊與擴展設備建立連接；所述 擴展設備包括快速充電系統(tǒng)和汽車總控制器。
5.如權利要求4所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述中控模塊的 總線驅動電路還包括一通訊總線CAN2驅動器接口模塊。
6.如權利要求1所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述中控模塊實 時采集的數(shù)據(jù)包括電池電壓、電池電量、SOC值、實時電流、各區(qū)域溫度及系統(tǒng)工作狀態(tài)； 所述系統(tǒng)工作狀態(tài)包括系統(tǒng)當前所處模式、車載充電機工作狀態(tài)、及直流電動機運行狀 態(tài)。
7.如權利要求1所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述存儲模塊中 存儲一數(shù)據(jù)表，所述數(shù)據(jù)表存放特定電壓區(qū)間與其對應的SOC值。
8.如權利要求1所述的純電動車用動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述電池管理系 統(tǒng)可實現(xiàn)充電、放電、故障三種工作模式。
9.一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于包括步驟1)系統(tǒng)初始化，讀取當前時間，將當前時間與上次關機時間比較，判斷時間差是否超過 設定時間，若時間差超出設定時間，則進行SOC校正；2)測量電池組中各電池的電壓，并計算出平均電壓值，判斷該平均電壓值是否處于設 置的特定電壓區(qū)間內；若平均電壓值在特定電壓區(qū)間范圍內，則查表獲得校正后的SOC值，并計算出電池電量值；3)檢測電池組各區(qū)域溫度，并讀取出當前電流，將實時電池電壓值、電池電量值、SOC 值、實時電流、各區(qū)域溫度及系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)送至車載液晶顯示模塊實時顯示。
10.如權利要求9所述的一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于 所述步驟2)之后還包括21)判斷電池電量值是否低于設定的最低電量值；若是，則系統(tǒng)跳出放電模式，進入充 電模式；22)判斷電池電量值是否高于設定的最高電量值；若是，則系統(tǒng)跳出充電模式，進入放 電模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種純電動車用動力電池管理系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)包括中控模塊、測控模塊、電池組、電機控制器、直流電動機、車載充電機、電流和電量檢測模塊、車載液晶顯示模塊、開關組、存儲模塊、時鐘模塊和溫度管理模塊。該系統(tǒng)僅通過一條CAN通訊總線實現(xiàn)中控模塊與測控模塊、車載充電機、電機控制器、車載液晶顯示模塊的通訊。電池管理系統(tǒng)具有充電、放電、故障三種工作模式，可實現(xiàn)系統(tǒng)電池電壓、溫度、電流、電量等各項參數(shù)信息的采集、管理和控制，電池的安全充電以及故障預警。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的電池管理系統(tǒng)具有較高可靠性和充電安全性，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，功能全面，便于后續(xù)擴展。
文檔編號H01M10/42GK101976867SQ20101051484
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權日2010年10月21日
發(fā)明者李佳明, 王自鑫, 袁昌杰, 陳瑞祥 申請人:中山大學